כיצד לבחור וליישם אנטנות עבור התקני IoT

השגשוג של התקני אינטרנט של דברים (IoT) ממשך להאיץ ולעורר השראה בתכנון מוצרי קצה חדשניים. עם זאת, המתכננים חייבים לזכור שלא משנה כמה יצירתיות ומאמץ מושקעים בחומרה ובתוכנה, האנטנה ממלאת תפקיד מרכזי. אם האנטנה לא עובדת כמו שצריך, ביצועי המוצר נפגעים קשות.

כממשק בין ההתקן לרשת האלחוטית, האנטנה היא חלק קריטי בתהליך תכנון התקני IoT. היא ממירה אנרגיה חשמלית לגלי תדר רדיו אלקטרומגנטי (RF) במשדר וממירה אות RF נכנס לאנרגיה חשמלית במקלט. המתכננים יכולים לייעל את הביצועים של היישום על ידי בחירת אנטנה העונה על פרמטרים הנדסיים עיקריים. עם זאת, האפשרויות והשיקולים הרבים הקיימים יכולים להוביל לעיכוב ולמחזורי תכנון יקרים.

מאמר זה מסכם את תפקידה של אנטנה בהתקן IoT אלחוטי ומתאר בקצרה את קריטריוני התכנון הקריטיים המשפיעים על בחירתה. לאחר מכן המאמר משתמש באנטנות לדוגמה של Amphenol‏ כדי להמחיש אפשרויות מתאימות עבור חיישן Bluetooth Low Energy‏ (LE‏) או Wi-Fi, עוקב נכסי IoT עם יכולת מיקום לווייני GNSS, נקודת גישה (Wi-Fi (AP והתקן LoRa IoT‏.

פענוח גיליון הנתונים

הביצועים הסופיים של אנטנה כפופים להחלטות הנדסיות כמו מיקום ההרכבה והתכן של רשתות תיאום אימפדנסים. מימוש טוב דורש סקירה מדוקדקת של גיליון הנתונים של האנטנה. הפרמטרים העיקריים כוללים:

• תבנית הקרינה: מגדירה באופן גרפי כיצד האנטנה מקרינה (או קולטת) אנרגיית רדיו במרחב 3D‏ (איור 1).
• העברת הספק מקסימלית: העברת הספק טובה בין האנטנה למקלט מתרחשת כאשר אימפדנס קו השידור (_0‏Z‏) מתואם לזה של האנטנה (_a‏Z‏). תיאום אימפדנסים לקוי מגדיל את הפסדי ההחזרה (RL‏). יחס גלים עומדים מתח (VSWR‏) מצביע על תיאום אימפדנסים בין קו השידור והאנטנה (טבלה 1‏). ערכי VSWR גבוהים מביאים להפסדי הספק גבוהים. VSWR מתחת ל-2 הוא מקובל בדרך כלל עבור מוצר IoT.
• היענות התדר: הפסדי ההחזרה (RL‏) תלויים בתדר הרדיו (RF‏). על המתכננים לבדוק בגיליון הנתונים את היענות התדר של האנטנה כדי לוודא שה-RL ממוזער בתדר הפעולה המיועד (איור 2).
• כיווניות: מודד את האופי הכיווני של תבנית הקרינה של האנטנה. כיווניות מקסימלית מוגדרת כ-_Max‏D‏.
• נצילות (η‏): היחס בין ההספק המוקרן הכולל (TRP, או _rad‏P‏) לבין הספק הכניסה (_in‏P‏) המחושב מהנוסחה η = (Prad/Pin) * 100%‏.
• הגבר: מתאר כמה הספק מועבר בכיוון של קרינת השיא. זה בדרך כלל מתייחס לאנטנה איזוטרופית עם ציון של dBi‏. הוא מחושב מהנוסחה _max‏D‏ * η‏ = _max‏Gain‏.

איור 1: תבניות קרינה מייצגות באופן גרפי כיצד האנטנה מקרינה או קולטת אנרגיית רדיו במרחב 3D‏. גליונות נתונים מראים בדרך כלל את המידה המקסימלית במישורי XY ו-YZ כאשר האנטנה מורכבת כמתוכנן. (מקור התמונה: Amphenol)

טבלה 1: ה-VSWR מציין את תיאום האימפדנסים בין קו השידור לבין האנטנה. VSWR מתחת ל-2 הוא מקובל בדרך כלל עבור מוצר IoT. (מקור הטבלה: Steven Keeping)

איור 2: VSWR ו-RL התלויים בתדר. יש למזער את RL בתדר הפעולה המיועד. (מקור התמונה: Amphenol)

שיפור הביצועים

אנטנה עם ביצועים גרועים מגבילה את ההספק החשמלי ההופך לאנרגיה מוקרנת במשדר או כמה אנרגיה נקצרת מאותות RF הנכנסים למקלט. ביצועים גרועים בשני הצדדים מקטינים את טווח הקישור האלחוטי.

הגורם העיקרי המשפיע על ביצועי האנטנה הוא האימפדנס. אי-תיאום משמעותי בין אימפדנס האנטנה (הקשור למתח ולזרם בכניסתה) לבין אימפדנס מקור המתח הדוחף את האנטנה גורם להעברת אנרגיה לקויה.

מעגל תיאום אימפדנסים המתוכנן היטב ממזער את ה-VSWR ואת הפסדי ההספק על ידי תיאום האימפדנסים של מקורות ההספק של המשדר עם זה של האנטנה. האימפדנס הוא בדרך כלל Ohms‏ 50‏ (Ω‏) עבור מוצר IoT‏ בהספק נמוך.

מיקום האנטנה משפיע באופן דרמטי על עוצמת השידור והרגישות של המוצר הסופי. עבור אנטנה פנימית, הנחיות התכנון ממליצות על מיקום בחלק העליון של התקן ה-IoT על קצה המעגל המודפס (PC) ובמרחק גדול ככל האפשר מרכיבים אחרים העלולים ליצור הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI) במהלך הפעולה. רכיבי תיאום אימפדנסים הם חריגים, מאחר והם בהכרח פרוקסימליים לאנטנה. הפדים והפסים המוליכים של לוח ה-PCB‏ המחברים את האנטנה ליתר חלקי המעגל חייבים להיות מוליכי נחושת כמוגדר באזור ה-Clearance‏ (איור 3‏).

איור 3: יש למקם את האנטנה המורכבת על לוח PCB‏ קרוב לקצה הלוח. כמו כן יש למקם את האנטנה הרחק מרכיבים אחרים (מלבד אלו המשמשים למעגל תיאום אימפדנסים) על ידי הקצאת אזור Clearance‏. (מקור התמונה: Amphenol)

(לפרטים נוספים על הנחיות תכנון אנטנות, ראו "כיצד להשתמש באנטנות משובצות רבות-פסי-תדר כדי לחסוך מקום, מורכבות ועלות בתכני IoT.")

סוגי אנטנות

אפיון האנטנה הוא חלק קריטי בתהליך תכנון התקן IoT‏. יש לבצע אופטימיזציה של האנטנה לפס ה-RF של ממשק אלחוט היעד, למשל, NB-IoT עבור מספר פסים מ-450 מגה-הרץ (MHz) עד 2,200 מגה-הרץ, LoRa עבור 902 עד 928 מגה-הרץ בצפון אמריקה, Wi-Fi עבור 2.4 גיגה-הרץ (GHz) ו-GHz‏ 5‏, ו-Bluetooth LE עבור GHz‏ 2.4‏.

אנטנות משתמשות בעקרונות חשמליים שונים. דוגמאות לכך הן מונופול, דיפול, לולאה, אנטנת F הפוכה (IFA‏) ואנטנת F-הפוכה פלאנארית (PIFA‏). כל אחת מתאימה עבור יישום מסוים.

ישנן גם אנטנות קצה-יחיד (Single-Ended‏) ודיפרנציאליות. סוג קצה-יחיד הוא לא-מאוזן, בעוד שאנטנות דיפרנציאליות הן מאוזנות. אנטנות קצה-יחיד קולטות או משדרות אות עם ייחוס להארקה, ואימפדנס הכניסה האופייני הוא בדרך כלל Ω‏ 50‏. עם זאת, מכיוון של-ICs‏ RF רבים ישנן יציאות RF דיפרנציאליות, לרוב נדרשת רשת טרנספורמציה אם משתמשים באנטנת קצה-יחיד. רשת שנאי Balun‏ זו הופכת את האות ממאוזן ללא-מאוזן.

אנטנה דיפרנציאלית משדרת באמצעות שני אותות משלימים, כל אחד במוליך משלו. מכיוון שהאנטנה מאוזנת, אין צורך בשנאי Balun‏ כאשר האנטנה משמשת עם ICs‏ RF‏ עם נקודות-חיבור RF דיפרנציאליות.

לבסוף, אנטנות מגיעות בכמה גורמי צורה, כגון לוח PCB‏, שבב או Patch‏, שוט (Whip‏) חיצוני וחוט. איור 4 מתאר כמה יישומים לדוגמה.

איור 4: קיימות אנטנות שונות כדי להתאים עבור יישומי IoT שונים. (מקור התמונה: Amphenol)

התאמת האנטנה ליישום

היישום וגורם הצורה של המוצר קובעים את הבחירה הסופית של האנטנה. לדוגמה, אם מוצר IoT הוא מוגבל במקום, ניתן לשלב אנטנת לוח PCB‏ ישירות במעגלים של לוח ה-PCB‏ הראשי. אנטנות אלו מהוות בחירה מצוינת עבור יישומי GHz‏ 2.4‏ כגון Bluetooth LE‏ או Wi-Fi בהתקני בית חכם, כולל תאורה, תרמוסטטים ומערכות אבטחה. הם מציעים ביצועי RF אמינים בארכיטקטורה בעלת פרופיל נמוך. ועדיין, אנטנות לוח PCB‏ הן מסובכות לתכנון. אלטרנטיבה אחת היא אנטנת לוח PCB‏ מיצרן מסחרי. ניתן לחבר אותה ללוח PCB‏ באמצעות גב דביק.

דוגמה לאנטנת לוח PCB‏ היא אנטנת RF‏ Wi-Fi‏ פס מוליך לוח PCB‏ ST0224-10-401-A‏ של Amphenol‏. האנטנה מציעה תבנית קרינה כלל-כיוונית בפסי-התדר GHz ‏2.4‏ עד GHz ‏2.5‏ ו- GHz‏ 5.15‏ עד GHz‏ 5.85‏. גודל האנטנה הוא 30‏ x‏ x 10‏ 0.2‏ מילימטרים (מ"מ) עם אימפדנס של Ω‏ 50‏. ה-RL שלה נמוך מ-10 דציבלים (dB) עבור שני תחומי התדר, והגבר השיא שלה הוא dB‏ 2.1‏ ביחס לאיזוטרופי (dBi) בפס GHz‏ 2.4‏ ו-dBi‏ 3.1‏ בפס GHz‏ 5‏. הנצילות שלה היא 77% ו-71%, בהתאמה (איור 5).

איור 5‏: אנטנת פס מוליך Wi-Fi‏ לוח PCB‏ ST0224-10-401-A היא בעלת נצילות טובה בשני פסי התדר GHz ‏2.4‏ ו-GHz‏ 5‏. (מקור התמונה: Amphenol)

אפשרות אחרת עבור מוצרי IoT מוגבלי-מקום היא אנטנת שבב. ציוד אוטומטי יכול להרכיב ישירות את הרכיב הקומפקטי הזה על לוח ה-PCB‏. האנטנה מתאימה עבור יישומי IoT אלחוטיים המבוססים על Bluetooth LE או Wi-Fi. היתרונות העיקריים של אנטנת שבב הם חיסכון במקום, עלויות ייצור מופחתות ותהליך תכנון פשוט.

כפי שתואר לעיל, הביצועים של אנטנת שבב מושפעים מגורמים כגון פריסת לוח ה-PCB‏ והרכיבים שמסביב, אך חידושים בטכנולוגיית האנטנה הביאה להתקנים יעילים ביותר. אנטנות שבב מתאימות עבור יישומים שונים, מסמארטפונים וטאבלטים ועד למערכות בית חכם וחיישנים תעשייתיים.

דוגמה לכך היא ה-ST0147-00-011-A‏ של Amphenol, אנטנת שבב GHz‏ 2.4‏ בהרכבה-משטחית על לוח ה-PCB‏. האנטנה מציעה תבנית קרינה כלל-כיוונית בפסי-התדר GHz ‏2.4‏ עד GHz ‏2.5‏ (איור 6‏). גודל האנטנה הוא 3.05‏ x‏ x 1.6‏ 0.55‏ מ"מ עם אימפדנס של Ω‏ 50‏. ה-RL‏ שלה הוא פחות מ-dB‏ 7‏-, הגבר השיא הוא dBi‏ 3.7‏, והנצילות הממוצעת היא 80%.

איור 6: אנטנת שבב בהרכבה-משטחית ST0147-00-011-A היא קומפקטית ומציגה תבנית קרינה כלל-כיוונית במישור XY. (מקור התמונה: Amphenol)

כמו אנטנות על לוח ה-PCB‏, אנטנות Patch‏ הן קומפקטיות וניתנות להצמדה ישירות על לוח ה-PCB‏. יישום טיפוסי היא אנטנה למעקב נכסים או התקנים אחרים עם יכולת מערכת לווייני ניווט עולמית (GNSS). אנטנות Patch‏ GNSS‏ בנויות מאלמנט Patch‏ על מצע דיאלקטרי. הנצילות הגבוהה מבטיחה שהאנטנה תקלוט אותות GNSS‏ חלשים ממספר לווינים.

דוגמה לכך היא אנטנת Patch‏ GNSS‏ פסיבית ST0543-00-N04-U‏ של Amphenol‏ עבור פעולה בפסי התדר GHz‏ 1.575‏ ו- GHz‏ 1.602‏. גודל האנטנה הוא 18‏ x‏ x 18‏ 4‏ מ"מ עם אימפדנס של Ω‏ 50‏. ה-RL שלה נמוך מ-dB‏ 10‏- עבור שני תחומי התדר, והגבר השיא שלה הוא dBi‏ 0.5‏- בפס התדר GHz‏ 1.575‏ ו-dBi‏ 1.0‏ בפס התדר GHz‏ 1.602‏. הנצילות שלה היא 80% ו-82%, בהתאמה.

אנטנות שוט (Whip‏) חיצוניות, כגון על AP‏ Wi-Fi‏, מורכבות מחוץ להתקני IoT‏ כדי למטב את פעולת הרדיו. אנטנת שוט חיצונית מרחיבה את טווח האות, משפרת את איכות האות ומתגברת על מכשולים או הפרעות. הם שימושיים בסביבות עם אותות חלשים או חסומים, כגון אלו המונחתים על ידי קירות, תקרות ורהיטים בבית. קיימים תכני שוט ישרים ומסובבים, כל אחד עם חיבורי ממשק RF סטנדרטיים כגון SMA, RP-SMA ו-N-Type.

דוגמה לכך היא אנטנת מקל RF‏ SMA‏ GHz ‏2.4‏ ו-GHz‏ 5‏ ST0226-30-002-A‏ של Amphenol‏. האנטנה היא פתרון טוב עבור Wi-Fi APs וממירי טלוויזיה (STBs). היא מציעה תבנית קרינה כלל-כיוונית בפסי-התדר GHz ‏2.4‏ עד GHz ‏2.5‏ ו- GHz‏ 5.15‏ עד GHz‏ 5.85‏. גודל האנטנה הוא x 88‏ 7.9‏ מ"מ עם אימפדנס של Ω‏ 50‏. ה-RL שלה נמוך מ-dB‏ 10‏- עבור שני תחומי התדר, והגבר השיא שלה הוא dBi‏ 3.0‏ בפס התדר GHz‏ 2.4‏ ו-dBi‏ 3.4‏ בפס התדר GHz‏ 5‏. הנצילות שלה היא 86% ו-75%, בהתאמה. האנטנה זמינה עם מחבר תקע SMA או RP-SMA (איור 7).

איור 7: אנטנת שוט חיצונית ST0226-30-002-A עבור Wi-Fi APs זמינה עם מחבר תקע SMA או RP-SMA. (מקור התמונה: Amphenol)

אנטנות חוט הליקלי הן אפשרות זולה ופשוטה עבור יישומי תת-GHz כגון התקני LoRa IoT הפועלים בפס התדר MHz‏ 868‏. האנטנות מולחמות בדרך כלל ישירות ללוח ה-PCB‏ ומציעות ביצועים טובים. כמה חסרונות הם היותן מגושמות, במיוחד כאשר פועלים בתדרים נמוכים, ונצילות נמוכה יחסית בהשוואה לכמה חלופות אנטנה.

דוגמה לכך היא אנטנת RF‏ MHz‏ 862‏ ST0686-10-N01-U‏ של Amphenol (איור 8). אנטנת חוט הליקלי זו פועלת בפס התדרים 862 עד 874 מגה-הרץ עם אימפדנס של Ω‏ 50‏. האנטנה היא בהרכבת הלחמה חור-עובר עם גובה מקסימלי של 38.8‏ מ"מ. יש לה RL‏ של פחות מ-dB‏ 9.5‏-, הגבר שיא של dBi‏ 2.5‏, ונצילות ממוצעת של 58%.

איור 8: אנטנת חוט הליקלי ST0686-10-N01-U היא אפשרות טובה עבור יישומי LoRa IoT. (מקור התמונה: Amphenol)

סיכום

ביצועי הרדיו של התקני IoT אלחוטיים תלויים בבחירת האנטנה, ולכן על המתכננים לבחור בקפידה מתוך מגוון רחב של תכני אנטנות מספקים כמו Amphenol כדי להתאים בצורה הטובה ביותר עבור היישום. גיליונות נתונים הם קריטיים במהלך הבחירה, אך הקפדה על הנחיות התכנון שנקבעו מבטיחה את ביצועי האלחוט הטובים ביותר.